Title:
Einrichtung und Verfahren zur Messung von Partikeln
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Eine Einrichtung zur Messung von Partikeln (1) mit einer Radareinheit wird beschrieben, die eine Sendeantenne (3) zur Abstrahlung eines elektromagnetischen Radarmessfeldes im räumlichen Bereich einer Sendekeule (S) und mindestens eine Empfangsantenne (4, 4a, 4b) zum Empfangen reflektierter Radarwellen im räumlichen Bereich einer Empfangskeule (E) hat. Die Sendekeule (S) ist im Winkel zur Empfangskeule (E) ausgerichtet. Die Sendekeule (S) und die Empfangskeule (E) überlappen sich in einem Detektionsraum (D) und laufen in Erstreckung der Sendekeule (S) von der Sendeantenne (3) und in Erstreckungsrichtung der Empfangskeule (E) von der mindestens einen Empfangsantenne (4, 4a, 4b) gesehen hinter dem Detektionsraum (D) wieder auseinander. Die Ausrichtung von der Sendekeule (S) zu der mindestens einen Empfangskeule (E) zueinander ist zur Reduzierung von Störeinflüssen durch Störobjekte (O) einstellbar. embedded image





Inventors:
Reinhardt, Alwin (24106, Kiel, DE)
Teplyuk, Alexander, Dr. (24114, Kiel, DE)
Höft, Michael, Prof. Dr.-Ing. (24235, Laboe, DE)
Application Number:
DE102016123453A
Publication Date:
06/07/2018
Filing Date:
12/05/2016
Assignee:
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 24118 (DE)
International Classes:
G01N15/06; G01N15/14; G01N21/49; G01S7/03; G01S13/88
Domestic Patent References:
DE102014116022A1N/A2016-05-04
DE102014106892B3N/A2015-10-22
Other References:
TEPLYUK, A. [et al.]: Aerosol Particle Sensor basend on Millimeter Wave Coherent Radar with High Spatial Resolution. In: IEEE IMS 2009, S. 1173 – 1176
Attorney, Agent or Firm:
Gramm, Lins & Partner Patent- und Rechtsanwälte PartGmbB, 30173, Hannover, DE
Claims:
Einrichtung zur Messung von Partikeln (11) mit einer Radareinheit, die mindestens eine Sendeantenne (3) zur Abstrahlung eines elektromagnetischen Radarmessfeldes im räumlichen Bereich mindestens einer Sendekeule (5) und mindestens eine Empfangsantenne (4, 4a, 4b) zum Empfang reflektierter Radarwellen im räumlichen Bereich einer Empfangskeule (E) hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendekeule (S) im Winkel zur Empfangskeule (E) ausgerichtet ist und sich die Sendekeule (S) und Empfangskeule (E) in einem Detektionsraum (D) überlappen und sich in Erstreckungsrichtung der Sendekeule (S) von der Sendeantenne (3) und in Erstreckungsrichtung der Empfangskeule (E) von der mindestens einen Empfangsantenne (4, 4a, 4b) gesehen hinter dem Detektionsraum (D) wieder auseinanderlaufen, wobei die Ausrichtung von der mindestens einen Sendekeule (S) und der mindestens einen Empfangskeule (E) zueinander zur Reduzierung von Störeinflüssen durch Störobjekte (O) einstellbar ist.

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendekeule (S) und Empfangskeule (E) im stumpfen Winkel zueinander ausgerichtet sind.

Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radareinheit eine Mehrzahl von Empfangsantennen (4a, 4b) hat, wobei die Empfangskeulen (E) der Empfangsantennen (4a, 4b) in unterschiedlichen Winkeln zur Sendekeule (S) der Sendeantenne (3) so ausgerichtet sind, dass sich die Sendekeule (S) in einem gemeinsamen Detektionsraum (D) mit den mehreren Empfangskeulen (E) überlappt.

Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Empfangskeulen (E) im stumpfen Winkel zueinander ausgerichtet sind.

Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Empfangskeulen (E) im stumpfen Winkel zu der Sendekeule (S) ausgerichtet ist.

Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Radareinheit zur Abstrahlung eines kontinuierlichen elektromagnetischen Feldes, eines gepulsten elektromagnetischen Feldes und/oder eines frequenzmodulierten elektromagnetischen Feldes eingerichtet ist.

Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Ermittlung des Partikelgehalts in einem Volumen, der Partikelgeschwindigkeit und/oder von Partikelgrößen in Abhängigkeit der von der mindestens einen Empfangsantenne (4, 4a, 4b) empfangenen reflektierten Radarwellen eingerichtet ist.

Einrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendeantenne (3) und/oder der mindestens einen Empfangsantenne (4, 4a, 4b) eine Linse (7) zur Einstellung der Sendekeule (5) und/oder Empfangskeule (E) vorgelagert ist.

Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendeantenne (3) und/oder der mindestens einen Empfangsantenne (4, 4a, 4b) ein Spiegel (8) zur Umlenkung der Sendekeule (S) und/oder Empfangskeule (E) vorgelagert ist.

Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sendeantenne (3) und/oder die mindestens eine Empfangsantenne (4) zur Einstellung der Polarisation um ihre Strahlachse drehbar ist.

Verfahren zur Messung von Partikeln (1) mit einer Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- Abstrahlen eines elektromagnetischen Radarmessfeldes im räumlichen Bereich mindestens einer Sendekeule (S) von einer jeweiligen Sendeantenne (3) in der Radareinheit;
- Empfangen reflektierter Radarwellen im räumlichen Bereich mindestens einer Empfangsantenne (4, 4a, 4b) der Radareinheit;
- Messen der Partikel (1) in Abhängigkeit der empfangenen reflektierten Radarwellen, wobei die mindestens eine Sendekeule (S) und die mindestens eine Empfangskeule (E) zur Reduzierung von Störeinflüssen durch Störobjekte (O) im Winkel zueinander so ausgerichtet werden, dass sich die mindestens eine Sendekeule (S) und Empfangskeule (E) in einem Detektionsraum (D) überlappen und sich in der jeweiligen Erstreckungsrichtung der mindestens einen Sendekeule (S) von der jeweiligen Sendeantenne (3) und in der Erstreckungsrichtung der mindestens einen Empfangskeule (E) von der jeweiligen Empfangsantenne (4, 4a, 4b) gesehen hinter dem Detektionsraum (D) wieder auseinanderlaufen.

Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Ausrichten der Sendekeule (S) und Empfangskeule (E) im stumpfen Winkel zueinander.

Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch Ausrichten einer Mehrzahl von Empfangskeulen (E) von mehreren Empfangsantennen (4a, 4b) in unterschiedlichen Winkeln zur Sendekeule (S) der Sendeantenne (3) so, dass sich die Sendekeule (S) in einem gemeinsamen Detektionsraum (D) mit den mehreren Empfangskeulen (E) überlappt.

Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Ausrichten von zwei Empfangskeulen (E) im stumpfen Winkel zueinander.

Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Ausrichten von einer der beiden Empfangskeulen (E) im stumpfen Winkel zur Sendekeule (S).

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch Abstrahlen eines kontinuierlichen elektromagnetischen Feldes, eines gepulsten elektromagnetischen Feldes und/eines frequenzmodulierten elektromagnetischen Feldes.

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, gekennzeichnet durch Ermitteln des Partikelgehalts in einem Volumen, der Partikelgeschwindigkeit und/oder von Partikelgrößen in Abhängigkeit der von dem mindestens einen Empfangsantenne (4, 4a, 4b) empfangenen reflektierten Radarwellen.

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, gekennzeichnet durch Drehen von mindestens einer der Sendeantennen (3) und/oder Empfangsantennen (4) um ihre Strahlachse zur Einstellung der Polarisation.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Partikeln mit einer Radareinheit, die eine Sendeantenne zur Abstrahlung eines elektromagnetischen Radarmessfeldes im räumlichen Bereich eine Sendekeule und mindestens eine Empfangsantenne zum Empfang reflektierter Radarwellen im räumlichen Bereich einer Empfangskeule hat.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Messung von Partikeln mit einer solchen Einrichtung.

Es besteht ein Bedarf, Partikel bzw. in einem Volumenstrom Partikelströme zu messen, beispielsweise zur Emissionskontrolle von Feinstaub. Solche Partikel enthaltende Volumenströme können bei Schornsteinen industrieller Anlagen und Heizungsanlagen oder beim Auspuff von Fahrzeugen oder ähnliches austreten.

Zur Partikelmessung ist beispielsweise eine sedimentäre Analyse bekannt, bei der Proben eines Partikelstroms z.B. mit einem Filter gesammelt und später analysiert werden. Dies kann nicht in Echtzeit erfolgen und ist nicht automatisierbar.

Mit der triboelektrischen Methode wird eine elektrische Widerstandsänderung an einem elektrisch leitfähigen, widerstandsbehafteten Stab gemessen, der in dem Volumenstrom positioniert wird. Die Partikel, welche mit dem Messstab in Berührung kommen, verursachen eine solche elektrische Widerstandsänderung, sodass ein Rückschluss auf die Partikelkonzentration möglich ist. Das Verfahren ist allerdings nicht kontaktlos und misst nur das vom Messstab eingenommene Volumen. Die Installation der Messeinrichtung ist aufwendig und es ist keine weitere Analyse von Partikelmerkmalen, beispielsweise der Partikelgeschwindigkeit möglich.

Mit optischen Messverfahren, bei denen der Volumenstrom mit sichtbarem oder unsichtbarem Licht durchleuchtet wird, lässt sich die Partikelkonzentration in Abhängigkeit einer Lichtabschwächung messen. Die Messung ist durch die Lichtdurchlässigkeit des Volumenstroms selbst begrenzt, sodass eine Partikelmessung in sehr dichtem Rauch kaum möglich ist. Auch hier lassen sich keine Rückschlüsse auf weitere Partikeleigenschaften, wie die Partikelgeschwindigkeit ziehen.

In A. Reinhardt, A. Teplyuk, M. Höft: „Measurement Setup for Characterization of a Bistatic Radar Sensor for Monitoring Particulate Matter‟, in: Proceedings of the 46th European microwave conference EuRAD, London 2016 ist die grundsätzlich aus der Anwendung für das Wetterradar bekannte Partikelmessung mittels Radar beschrieben. Ein Problem stellen dabei unerwünschte, nicht zu messende Störobjekte dar, die zu einer Übersättigung des Radarsensors führen. Dies hat einen Einfluss auf die hierdurch zu reduzierende Sensitivität.

A. Teplyuk, R. Knoechel, G. Khlopov: Aerosol Particle Sensor based on Millimeter Wave Coherent Radar with High Spartial Resolution, in: IEEE-IMS 2009, Seiten 1173-1176 offenbaren eine bistatische Radareinrichtung mit im Winkel zueinander ausgerichteten Sende- und Empfangskeulen von Sende- und Empfangsantennen, um im Kreuzungsbereich Partikel zu messen. Die Sende- und Empfangsantennen des konkret realisierten bistatischen Radar sind direkt nebeneinander angeordnet und in etwa in die gleiche Strahlrichtung ausgerichtet, sodass sie am Ende der Radarkeulen einander überlappen.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Einrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Messung von Partikeln mittels Radar zu schaffen, das bei möglichst einfachem Messaufbau eine hinreichend sensitive und zuverlässige Partikelmessung ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die Einrichtung mit dem Merkmal des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit dem Merkmal des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Es wird vorgeschlagen, dass die Sendekeule der Sendeantenne im Winkel zu der Empfangskeule der Empfangsantenne ausgerichtet ist, wobei sich die Sendekeule und die Empfangskeule in einem Detektionsraum überlappen. In Erstreckungsrichtung der Sendekeule von der Sendeantenne und in Erstreckungsrichtung der Empfangskeule von der mindestens einer Empfangsantenne gesehen laufen die Sendekeule und die mindestens eine Empfangskeule wieder hinter dem Detektionsraum auseinander. Die Einrichtung ist dabei zur Einstellung des Detektionsraums durch geeignete Ausrichtung der Sende- und Empfangskeule(n) zueinander so ausgebildet, dass der Detektionsraum an das Messvolumen angepasst und dabei frei von potentiellen Störern außerhalb des Messraums ist. Die Ausrichtung kann dabei durch Verändern von Position, Lage (z.B. des Schwenkwinkels) und/oder Polarisationswinkel der mindestens einen Sendeantenne und/oder der mindestens einen Empfangsantenne angepasst werden.

Zur Bildung des Detektionsraumes sind Sender und Empfänger vertauschbar. Es ist daher auch möglich, dass mehrere Sendeantennen mit ihren Sendekeulen vorhanden sind, die mit mindestens einer Empfangskeule einen gemeinsamen Detektionsraum formen. Wenn daher von einer Sendeantenne und Sendekeule die Rede ist, schließt dies nicht aus, dass noch mindestens eine weitere Sendeantenne vorhanden ist.

Damit wird die Empfindlichkeit der Einrichtung auf den Detektionsraum fokussiert, sodass Störobjekte in Erstreckungsrichtung hinter dem Detektionsraum keinerlei Einfluss auf die Sensitivität der Einrichtung haben. Da das Radarmessfeld berührungslos arbeitet, kann die Einrichtung sehr einfach auch unter Durchdringung eines Leitungssystems (Schornstein, Auspuff oder ähnliches), welches einen partikelgeladenen Volumenstrom führt, auf dem Volumenstrom ausgerichtet werden. Mit Hilfe der Überlappung der Sende- und Empfangskeulen wird ein „Detektionsvoxel“ geformt, das mit der Ausrichtung von Sende- und Empfangskeule frei konfigurierbar und definierbar und so auswählbar ist, dass keine Störobjekte darin vorkommen.

Ein in einer Antennenkeule auftretendes Störobjekt wirkt sich nur dann negativ aus, wenn es sowohl in der Sendekeule, als auch in der Empfangskeule gleichzeitig vorkommt.

Durch eine solche Fokussierung von Sende- und Empfangskeule auf den Detektionsraum lassen sich Partikel robust - auch von außen prinzipiell durch Rohre hindurch - messen.

Die Sendekeule und Empfangskeule sind vorzugsweise im stumpfen Winkel (≤ 90 Grad) zueinander ausgerichtet. Damit wird sichergestellt, dass das Detektionsvolumen in Erstreckungsrichtung der Sendekeule eine hinreichend begrenzte Ausdehnung hat, die eine höchst sensitive Messung von Partikeln unter weitgehender Unempfindlichkeit vor Störobjekten sicherstellt.

Die Radareinheit kann eine Mehrzahl von Empfangsantennen haben. Die Empfangskeulen dieser mehreren Empfangsantennen sind dann in unterschiedlichen Winkeln zur Sendekeule der Sendeantenne so ausgerichtet, dass sich die Sendekeule in einem gemeinsamen Detektionsraum mit den mehreren Empfangskeulen überlappt. Mit Hilfe dieser multidirektionalen Anordnung mehrerer auf die gemeinsame Sendekeule ausgerichteten Empfangskeulen lässt sich eine weitergehende Auswertung realisieren. So kann z.B. unter Ausnutzung der MIE-Theorie durch Vergleich der Empfangssignale der mehreren Empfangsantennen ein Rückschluss auf die Teilchengröße gezogen werden. Dabei wird ausgenutzt, dass im Verhältnis zur Wellenlänge kleine Objekte elektromagnetische Wellen kugelförmig in alle Raumrichtungen reflektieren, während große Objekte elektromagnetische Wellen hauptsächlich in Strahlrichtung streuen. Zudem kann die Messung robuster gegen eine Klumpenbildung von Partikeln durchgeführt werden. Mit solchen multidirektionalen, auf eine Sendekeule ausgerichteten Empfangskeulen gelingt es generell unterschiedlich große Partikel zu messen.

Dabei können zwei Empfangskeulen im stumpfen Winkel zueinander ausgerichtet sein. Eine der Empfangskeulen kann dabei im stumpfen Winkel zu der Sendekeule ausgerichtet sein. Die andere Empfangskeule kann dann im spitzen oder stumpfen Winkel oder rechtwinklig zur Sendekeule stehen.

Die Radareinheit kann zur Abstrahlung eines kontinuierlichen elektromagnetischen Feldes, eines gepulsten elektromagnetischen Feldes oder eines frequenzmodellierten elektromagnetischen Feldes oder einer Kombination davon eingerichtet sein. So ist denkbar, diese unterschiedlichen elektromagnetischen Felder zeitlich nacheinander einzusetzen, insbesondere um durch Vergleiche der Messergebnisse robustere Auswertungen zu erzielen oder unterschiedliche Partikeleigenschaften, wie Partikelgehalt (Dichte und Konzentration und Volumenstrom), Partikelgeschwindigkeit oder Partikelgröße zu bestimmen.

Die Einrichtung kann zur Ermittlung des Partikelgehalts im Volumenstrom, der Partikelgeschwindigkeit und/oder von Partikelgrößen in Abhängigkeit von den mit der mindestens einen Empfangsantenne empfangenen reflektierten Radarwellen eingerichtet sein. Unter dem Partikelgehalt wird insbesondere die Dichte der Partikel im Volumenstrom bzw. die Partikelkonzentration im Volumenstrom verstanden.

Die Ausrichtung der Sendekeule und der mindestens einen Empfangskeule zueinander kann beispielsweise mittels Aktuatoren zur Verstellung der Sendeantenne und/oder der mindestens eine Empfangsantenne erfolgen. Diese Aktuatoren sind mit der Einrichtung gekoppelt und von dieser so angesteuert, dass ein angepasstes Detektionsvolumen erreicht wird, das möglichst frei von äußeren Störeinflüssen ist und dabei eine möglichst hohe Sensitivität aufweist.

Die Einstellung der Sendekeule und der mindestens einen Empfangskeule zueinander zur Formung eines geeigneten Detektionsvolumens kann auch mit Hilfe von Linsen erfolgen, die der Sende- und/oder Empfangsantenne vorgeschaltet sind. Durch geeignete Einstellung der mindestens einen vorgeschalteten Linse gelingt es ebenso, ein fokussiertes Detektionsvolumen bereitzustellen.

Denkbar ist aber auch die Anordnung mindestens eines Spiegels im Fokus einer zugeordneten Sendeantenne oder Empfangsantenne. Damit gelingt es, die Sende- und Empfangsantenne räumlich nah beieinander z.B. auf einer Seite eines Schornsteins anzuordnen und mit Hilfe eines gegenüberliegenden Spiegels die Sendekeule oder Empfangskeule umzulenken.

Mit Hilfe eines mittels Aktoren ausrichtbaren Spiegels kann der Detektionsraum wahlweise eingestellt werden.

Denkbar ist auch die Nutzung von Mikrospiegelarrays, bei denen die einzelnen Mikrospiegel in ihrer Ausrichtung einstellbar sind. Dadurch kann die Sende- und/oder Empfangskeule bedarfsweise angepasst werden, um einen gewünschten Detektionsraum in der Überschneidung zwischen Sendekeule und Empfangskeule zu schaffen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 - Ausführungsform einer Einrichtung zur Messung von Partikeln in einem Volumenstrom in einem Schornstein unter Durchleuchtung des Abgasrohres;
  • 2 - Diagramm des Spektrums des mit der Einrichtung aus 1 erfassten Empfangssignalpegels über die Frequenz ohne Volumenstrom, mit einem reinen Luftstrom und einem partikelbehafteten Volumenstrom;
  • 3 - Einrichtung zum Messen von Partikeln in einem aus einem Schornstein austretendem Volumenstrom;
  • 4 - Einrichtung mit einer Sendekeule und zwei Empfangskeulen;
  • 5 - Skizze einer Einrichtung mit Linse im Strahlkegel einer Empfangsantenne zur Formung eines Detektionsraums;
  • 6 - Skizze einer Einrichtung mit einem zusätzlichen Spiegel und einer Linse im Strahlkegel einer Empfangsantenne zur Formung eines Detektionsraums;
  • 7 - Skizze einer Einrichtung zur Partikelmessung an einem Flugzeug zur Erfassung von Partikelwolken.

1 zeigt eine Skizze einer Einrichtung zur Messung von Partikeln 1 in einem Volumenstrom V, der in einem Schornstein 2 oder in einem Abgasrohr oder ähnliches in Strömungsrichtung (Pfeil) strömt. Um die in diesem Volumenstrom V enthaltenen Partikel 1, insbesondere den Partikelgehalt im Volumenstrom V, die Partikelgeschwindigkeit oder die Partikelgröße bzw. die Partikelgrößenverteilung zu messen, ist eine Einrichtung zur Partikelmessung in der Umgebung des Schornsteins 2 angeordnet. Die Einrichtung hat eine Sendeantenne 3 zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen. Diese bilden eine Sendekeule S in Abstrahlrichtung der Sendeantenne 3. Die Sendeantenne 3 kann hierzu beispielsweise eine Hornantenne mit einer Horngestaltung sein, die die Sendekeule S räumlich festlegt. Die Sendekeule S ist durch eine geeignete Ausrichtung der Sendeantenne 3 in Bezug auf den Schornstein 2 bzw. dem Volumenstrom V so ausgerichtet, dass die Sendekeule S den Volumenstrom V durchdringt.

Eine Empfangsantenne 4 ist nun zur Bildung eines bistatischen Radars so auf den Volumenstrom V bzw. den Schornstein 2 ausgerichtet, dass die Empfangskeule E der Empfangsantenne 4 die Sendekeule S in einem Detektionsraum D kreuzt. Auch hier ist die Empfangsantenne 4 z.B. als Hornantenne so ausgestaltet, dass sie sich innerhalb einer Empfangskeule E ausbreitende reflektierende elektromagnetische Wellen empfängt. Der überlappende Bereich von Sendekeule S und Empfangskeule E bildet einen Detektionsraum D, in dem die Empfangsantenne 4 und eine daran angeschlossene Steuer- und Auswerteeinheit 5 sensitiv ist. Die Steuerung der Sendeantenne 3 zur Beaufschlagung mit elektromagnetischer Energie in der zur Messung geeigneten Frequenz kann durch den Sendeteil der Sende- und Empfangseinheit 5 erfolgen. Diese kann räumlich getrennt zur Empfangseinheit sein, die an die Empfangsantenne 4 angeschlossen ist. Damit wird unter einer Sende- und Empfangseinheit 5 nicht notwendigerweise eine räumlich zusammengefasste Schaltungseinheit verstanden, sondern die funktional zusammenwirkenden Schaltungsteile, die letztendlich zu einer Messgröße des Empfangssignals der Empfangsantenne 4 führen, das ein Maß für die Partikel im Volumenstrom V innerhalb des Detektionsraums D ist.

So kann beispielsweise die Sendeantenne 3 einen Sendeverstärker und die Empfangsantenne 4 einen Empfangsverstärker haben, der dann nicht in der vor- bzw. nachgelagerten Sende- und Empfangseinheit 5, sondern als Teil der Sende- bzw. Empfangsantenne 3, 4 realisiert ist.

Die Empfangsantenne 4 ist mit einem durch ein Pfeil symbolisierten Aktor 6 so ausrichtbar, dass der Überlappungsbereich der Empfangskeule E mit der Sendekeule S, welcher den Detektionsraum D bildet, veränderlich ist. Auf diese Weise kann der Detektionsraum D so eingestellt werden, dass er ein großes Messvolumen innerhalb des Schornsteins 2 ausfüllt und dabei frei von Störungen ist. Störobjekte O, die sich in Erstreckungsrichtung bzw. Strahlrichtung der Sendekeule S und der Empfangskeule E hinter dem Detektionsraum D befinden, haben keinen Einfluss auf das von der Empfangsantenne 4 detektierte, reflektierte Empfangssignal. Die Einrichtung ist damit im Wesentlichen nur im Detektionsraum D sensitiv.

Denkbar ist, dass ein solcher Aktor 6 zusätzlich auch für die Sendeantenne 3 vorgesehen ist, um den Abstrahlwinkel der Sendekeule relativ zur Empfangskeule E zu verändern und damit den Detektionsraum D einzustellen. Denkbar ist aber auch, dass ein Aktor 6 nur für die Sendeantenne 3 und nicht wie skizziert auch für die Empfangsantenne 4 vorhanden ist.

Entscheidend ist nur, dass mindestens eine der Sendeantenne 3 oder Empfangsantenne 4 einstellbar ist, um die Lage der Sendekeule S und der Empfangskeule E zueinander zu verändern und damit den Detektionsraum D einzustellen.

Mit diesem Aktor 6 oder einem zusätzlichen Aktor kann die Sendeantenne 3 und/oder Empfangsantenne 4 optional nicht nur verschwenkt, sondern um die Achse ihrer Sendekeule S bzw. Empfangskeule E gedreht werden. Damit ist es möglich, zusätzlich die Polarisationsrichtung einzustellen. Auf diese Weise gelingt es durch das polarisationsabhängige Reflektionsverhalten der Partikel aus dem Empfangssignal weitere Aussagen zu den Partikeleigenschaften zu treffen, wie bspw. zur Partikelgrößenverteilung und zur Partikelsubstanz (d.h. zu den Materialeigenschaften).

Die Partikelmenge und die Partikelgeschwindigkeit lassen sich aus der Dopplerverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal einfach bestimmen. Diese Dopplerverschiebung resultiert aus der Partikelbewegung oder einer Bewegung mindestens einer der Sendeantenne 3 und/oder Empfangsantenne 4. Aus 1 ist für das bistatische Radar erkennbar, dass das Sendesignal in der Richtung seines Einheitsvektors e0Sembedded imageabgestrahlt und das Empfangsantenne in Richtung des Einheitsvektors e0Eembedded imagezur Empfangsantenne 4 reflektiert wird. Ein Partikel P, d.h. ein Streuobjekt, bewegt sich in Richtung νembedded imageDann besteht ein Zusammenhang zwischen dem mit der Sendefrequenz fs ausgesendeten und dem mit der Empfangsfrequenz fE empfangenen, reflektierten Empfangssignal nach der allgemeinen Formel: fE=fS1νe0SC1νe0ECembedded image

Deutlich wird, dass sowohl der Sender, als auch der Empfänger zur Frequenzverschiebung / Dopplerfrequenz beitragen.

Wenn die Sendeantenne 3 senkrecht zum Partikelstrom, d.h. zur Partikelbewegungsrichtung ausgerichtet ist, dann trägt der Sender nicht zur Dopplerverschiebung bei. Der Partikelstrom verschiebt bei dieser Konstellation dennoch die Frequenz durch die Bewegung zur Empfangsantenne hin oder von dieser weg. Gleiches gilt entsprechend für die senkrechte Ausrichtung der Empfangsantenne 4 zum Partikelstrom.

Wenn somit eine der Sende- oder Empfangsantennen 3, 4 orthogonal zur Objektbewegungsrichtung ausgerichtet ist, dann funktioniert das Verfahren - anders als beim monostatischen Radar - beim bistatischen Radar trotzdem.

Durch Umformen lässt sich dann aus den bekannten Größen die unbekannte Partikelgeschwindigkeit v berechnen. Die Partikelmenge ist proportional zur Leistung des Empfangssignals, d.h. der über einen relevanten Frequenzbereich integrierten Signalleistung bei den durch unterschiedliche Partikelgeschwindigkeiten auftretenden verschiedenen Dopplerfrequenzen.

2 zeigt ein Diagramm des Spektrums des mit der Empfangsantenne 4 erfassten Empfangssignalpegels über die Frequenz im Bereich von 0 bis über 20 kHz. Der Empfangssignalpegel ist als Spannung in der Einheit dBV PK, d.h. die in einem Signalpeak erfasste Signalstärke in Dezibel/Volt aufgetragen. Erkennbar ist, dass das Empfangssignalpegelspektrum der reflektierten Wellen für einen reinen Luftstrom und ohne Volumenstrom V annährend gleich sind. Das Spektrum verläuft zunächst einmal bis zu einer Frequenz von etwa 9 kHz nahezu waagerecht bzw. leicht abfallend, um dann mit zunehmender Frequenz nahezu linear abzufallen. Der Frequenzbereich von etwa 200 Hz bis 12 kHz ist durch die sich bei verschiedenen Geschwindigkeiten bewegenden Partikeln beeinflusst.

Für den Fall eines Partikelstroms weist das Spektrum eine signifikante Wölbung, beginnend von etwa 2 kHz bis etwa 12 kHz, auf. Dieser gewölbte Bereich des Spektrums ist ein Maß für den Partikelgehalt im Volumenstrom. Die Fläche der Aufwölbung im Vergleich zum ohne Partikel gemessenen Spektrum ist ein Maß zur Bestimmung des Partikelmassenstroms Qm und damit des Partikelgehalts M.

Die Partikelgeschwindigkeit ergibt sich unmittelbar aus der Frequenzverschiebung des Sendesignal im Vergleich zum Empfangssignal durch die Dopplerverschiebung. Die Partikelgeschwindigkeit vp lässt sich aus der Empfangsfrequenz fE, der Sendefrequenz fs und der Lichtgeschwindigkeit c in Luft nach der allgemeinen Formel: fE=fS1νe0SC1νe0ECembedded imageermitteln. Für den in 1 gezeigten Fall von rechtwinklig zueinander ausgerichteten Sende- und Empfangskeulen S, E mit einer in Partikelstromrichtung ausgerichteten Sende- oder Empfangskeule S, E reduziert sich die Formel durch das vereinfachte Winkelverhältnis und der sich aus der Differenz von Sendefrequenz fs und Empfangsfrequenz FE ergebenden Dopplerfrequenz fd nach Umformung auf die Formel: VP=fdc22fSembedded image

Die durchschnittliche Dopplerfrequenz fD liegt bei der dargestellten Glockenkurve etwa im Maximum der Aufwölbung des Spektrums.

Die Partikelkonzentration No bestimmt sich aus dem Partikelgehalt M, der Materialdichte pp und dem Messvolumen V nach der Formel: N0=MρPVembedded image

Der Partikelgehalt M ist die Partikelmasse in einem Messvolumen V. Deutlich wird, dass die Partikelkonzentration No dabei proportional zu dem Partikelgehalt M ist. Aus der Radargleichung folgt zudem, dass ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Empfangsleistung PR [W] und dem Partikelgehalt M besteht: M=K*PRembedded image

Die Linearkonstante K lässt sich einfach durch Kalibrierung ermitteln, wenn eine Messung ohne Partikel und eine Messung mit einer bekannten Partikelkonzentration durchgeführt wird. Damit kann aus der Empfangsleistung unmittelbar der Partikelgehalt als Gewichtseinheit pro Volumen berechnet werden.

Aus dem Diagramm wird ferner deutlich, dass in dem aufgewölbten Kurvenbereich für jede Frequenz eine bestimmte Empfangsleistung gemessen wird. Dabei steht jede Frequenz für eine Dopplerfrequenz und damit für eine Partikelgeschwindigkeit. Damit lässt sich mit der auf die Kalibrierkurve ohne Partikel normierten Leistungskurve eine Aussage darüber treffen, welche Partikelmenge sich mit welcher Geschwindigkeit bewegt. Es kann also auch eine Aussage über die Geschwindigkeitsverteilung der Partikel getroffen werden.

Durch Integration lässt sich der Partikelgehalt bestimmen. Durch Multiplikation des Partikelgehalts M [g/m3] mit der durchströmte Querschnittsfläche des Detektionsraums D und der Partikelgeschwindigkeit v [m/s] lässt sich die Partikelmenge pro Zeiteinheit (d.h. den Partikelmassestrom) berechnen. Unter der Annahme einer annähernd gleichen oder bekannten Geschwindigkeitsverteilung kann anstelle der Querschnittsfläche des Detektionsraums D auch, ggf. mit Gewichtung, die gesamte durchströmte Querschnittsfläche z.B. eines Schornsteines zur Berechnung des Partikelmassestroms genutzt werden.

3 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung zur Messung von Partikeln 1 für einen Volumenstrom V, der aus dem Schornstein 2 austritt. Der Detektionsraum D befindet sich dabei außerhalb des Schornsteins 2 in einem Bereich, in dem sich potentiell Störobjekte O aufhalten können. Ein solches Störobjekt O ist beispielsweise als Vogel symbolisiert. Denkbar sind aber auch andere Störobjekte O, wie beispielsweise fest installierte und Radarwellen reflektierende Decken und Wände. Derartige Störobjekte O beeinträchtigen das Empfangssignal der Einrichtung nicht, auch wenn sie sich in Strahlrichtung von der jeweiligen Sende- oder Empfangsantenne 3, 4, gesehen hinter dem Detektionsraum D, mit der Sende- und/oder Empfangskeule S, E überschneiden.

Auch hier kann somit eine Übersättigung des Radarsensors durch unerwünschte, nicht zu messende Störobjekte O vermieden werden, indem der Messraum auf den Überlappungsbereich von Sende- und Empfangskeule S, E des bistatischen Radars, d.h. auf den Detektionsraum D, eingeschränkt wird.

4 zeigt eine Skizze einer weiteren Ausführungsform mit einer Mehrzahl von Empfangsantennen 4a, 4b, deren jeweilige Empfangskeule E jeweils auf die Sendekeule S der Sendeantenne ausgerichtet ist, um diese jeweils in einem Überlappungsbereich zu schneiden. Der gemeinsame Überlappungsbereich der mindestens drei Sende- und Empfangskeulen S, E bildet dann den Detektionsraum D. Die jeweiligen Überlappungsbereiche einer Empfangsantenne 4a bzw. 4b mit der Sendeantenne 3 sind allerdings größer als der gemeinsame Detektionsraum 5. Aus der sich hierdurch ergebenden Differenz der Empfangssignale lassen sich dann weitere Rückschlüsse ziehen.

Das Abstrahlverhalten großer Partikel ist anders als das kleiner Partikel. Kleine Partikel reflektieren die elektromagnetischen Wellen der Sendekeule S wesentlich gleichförmiger in alle Richtungen. Größere Partikel haben hingegen die Eigenschaft, dass sie im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Sendekeule S ausstrahlen, d.h. zur Sendeantenne 3 zurück (Abstrahlwinkel 0°) und von der Sendeantenne 3 in Hauptstrahlrichtung weg (Abstrahlrichtung 180°). Die großen Partikel lassen sich dann eher mit der Empfangsantenne 4b messen, die in einem wesentlich spitzeren bzw. kleineren Winkel zur Hauptstrahlrichtung der Sendekeule S ausgerichtet ist, als die erste Empfangsantenne 4b. Damit ist es möglich, auch eine Aussage zu den Partikelgrößen und zur Partikelgrößenverteilung zu machen. Hierzu müssen die zugänglichen Empfangssignale bei den Empfangsantennen 4a, 4b im Verhältnis zueinander gesetzt werden.

Auch hier ist mindestens eine der Empfangsantennen 4a, 4b mit einem Aktor 6 wie durch den Pfeil skizziert einstellbar, um auf diese Weise den Winkel der Empfangskeule E auf die Sendekeule S und diese weitere Empfangskeule E der anderen Empfangsantenne 4a, 4b so einzustellen, dass an den Volumenstrom V bzw. Schornstein 2 oder das Rohr optimal angepasste Detektionsvolumen D erreicht wird.

Anstelle einer nahezu deckenden Überlappung der Sende- und Empfangskeule S, E, die auf statische und dynamische Störobjekte empfindlich sind, lassen sich durch den reduzierten Detektionsraum D hoch sensitive Messungen ohne Gefahr eine Übersättigung erreichen. Der Detektionsraum D, d.h. das Detektionsvoxel ist mit Hilfe der einstellbaren Sende- oder Empfangsantennen 3, 4a, 4b frei konfigurierbar und definierbar und wird so eingestellt, dass keine Störobjekte darin vorkommen. Damit lassen sich sehr robuste Messungen erreichen.

Durch die multidirektionale Anordnung der mehreren Empfangsantennen 4a, 4b lassen sich die Empfangssignale vergleichen. Mithilfe des Rückschlusses auf die Teilchengröße ist es möglich, die Messung robuster gegen Klumpenbildung zu machen.

5 zeigt eine Skizze einer Einrichtung mit einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne 4, wobei der Empfangsantenne 4 eine Linse 7 im Strahlweg vorgeschaltet ist. Wiederum überschneiden sich die Sende- und Empfangskeule S, E in einem Detektionsraum D, der nun mithilfe der Linse 7 einstellbar ist. Hiermit ist eine problemangepasste Verformung des Detektionsvoxels D möglich. Auf diese Weise kann der Detektionsraum D beispielsweise sehr schmal an einen relativ dünnen Volumenstrom V für einen Schlauch angepasst werden. Denkbar ist aber auch hier eine weitere Kombination mit Aktoren 6 zur Verschwenkung der Sendeantenne 3 und/oder Empfangsantenne 4. Unter dem Begriff der Linse 7 wird auch eine Linsenanordnung mit einer Mehrzahl von Linsen verstanden.

Denkbar ist auch, dass sich die Linse 7 vor der Sendeantenne 3 befindet, oder dass sowohl für die Sende-, als auch für die Empfangsantenne 3, 4 jeweils eine Linse 7 vorgesehen ist.

6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Sendeantenne 3 und die Empfangsantenne 4 der Radareinheit mit der Sende- und Empfangseinheit 5 räumlich zusammengefasst sind. Erkennbar ist, dass im Strahlenraum der Empfangsantenne 4 ein Spiegel 8 angeordnet ist, der die Empfangskeule E umlenkt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich noch eine Linse 7 in den Strahlungspfad der Empfangskeule E eingebaut, um die Empfangskeule E zu fokussieren. Diese Linse 7 ist optional. Die Strahlverformung kann auch nur durch einen Spiegel erfolgen.

Mithilfe des Spiegels 8 gelingt es, die Radareinheit als kompaktes Gerät auszuführen und die Strahlungspfade so umzulenken, dass sie sich in dem Detektionsraum D schneiden.

Denkbar ist auch eine Variante, bei der für die Sendeantenne 3 ein Spiegel 8 und ggf. eine zusätzliche Linse 7 vorgesehen ist. Möglich ist auch, dass sowohl für die Sendeantenne 3, als auch für mindestens eine Empfangsantenne 4, 4a, 4b ein solcher Spiegel 8 vorhanden ist. Auch dieser Spiegel 8 kann justierbar sein, um seine Ausrichtung zu ändern. Geeignet ist hierfür eine Ausführungsform des Spiegels 8 mit einer Vielzahl von Mikrospiegeln, die individuell ausrichtbar sind. Eine solche Mikrospiegelanordnung kann dann durch die Steuer- und Auswerteeinheit 5 so angesteuert werden, dass ein geeigneter Detektionsraum D geformt wird. Dieser kann für eine Folge von Vergleichsmessungen unterschiedlich eingestellt werden, um hieraus geeignete Aussagen über die Partikel im Volumenstrom V zu treffen.

7 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung zur Partikelmessung, die an ein Luftfahrzeug 9 angebaut ist. Die Sendekeule S und Empfangskeule E sind dabei in Flugrichtung einander kreuzend zueinander ausgerichtet, so dass in Flugrichtung vor dem Bug des Luftfahrzeuges ein Detektionsvolumen D vorhanden ist. Nunmehr ist es durch das sich bewegende Radar möglich, Partikelwolken (Störobjekt O) in dem Detektionsraum D, wie z.B. Vulkanasche, zu detektieren. Die Partikelwolken müssen sich nicht bewegen. Auch hier tritt eine Geschwindigkeitsdifferenz über die Dopplerfrequenz fD auf, die sich im Spektrum durch Aufwölbung bei der Dopplerfrequenz fD bemerkbar macht. Wiederum kann die Fläche der aufgewölbten Spektrums als Maß für den Partikelgehalt herangezogen werden.

Es ist zur Messung von Partikel daher unerheblich, ob diese sich in einem Volumen bewegen oder ob sich das Radar in dem Volumen bewegt. Insofern ist der Begriff „Volumenstrom“ nicht auf sich in einem Volumen bewegende Partikel beschränkt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • A. Reinhardt, A. Teplyuk, M. Höft: „Measurement Setup for Characterization of a Bistatic Radar Sensor for Monitoring Particulate Matter‟ [0007]
  • A. Teplyuk, R. Knoechel, G. Khlopov: Aerosol Particle Sensor based on Millimeter Wave Coherent Radar with High Spartial Resolution, in: IEEE-IMS 2009, Seiten 1173-1176 [0008]